bab 1 fluidisasi
Post on 15-Apr-2016
57 Views
Preview:
DESCRIPTION
TRANSCRIPT
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Tujuan Praktikum
1. Menjelaskan prinsip kerja fluidisasi.
2. Menjelaskan operasi fluidisasi gas dan cairan.
3. Menjelaskan persamaan Ergun dan menyelidiki kondisi permulaan
fluidisasi.
4. Menghitung pressure drop yang melalui fixed bed dan fluidized bed.
5. Mengaplikasikan ilmu dasar teknik kimia secara tim, bekerja sama dan
profesional.
1.2 Landasan Teori
1.2.1 Fenomena Fluidisasi
Konsep dasar dari suatu partikel unggun yang terfluidisasi dapat
diilustrasikan dengan fenomena yang terjadi saat adanya perubahan laju alir gas
seperti pada gambar di bawah ini.
Gambar 1.1 Fenomena Fluidisasi dengan Variasi Laju Alir Gas
Fenomena fluidisasi pada sistem gas-padat juga dapat diilustrasikan pada gambar
berikut ini:
Gambar 1.2 Fenomena Fluidisasi pada Sistem Gas-Padat
Fenomena-fenomena yang dapat terjadi pada proses fluidisasi antara lain:
1. Fenomena fixed bed, terjadi ketika laju alir fluida kurang dari laju minimum
yang dibutuhkan untuk proses awal fluidisasi. Pada kondisi ini partikel padatan
tetap diam. Kondisi ini ditunjukkan pada gambar 1.3.
Gambar 1.3 Fenomena Fixed Bed
2. Fenomena minimum or incipient fluidization, terjadi ketika laju alir fluida
mencapai laju alir minimum yang dibutuhkan untuk proses fluidisasi. Pada
kondisi ini partikel-partikel padat mulai terekspansi. Kondisi ini ditunjukkan
pada gambar 1.4.
Gambar 1.4 Fenomena Minimum or Incipient Fluidization
3. Fenomena smooth or homogenously fluidization, terjadi saat kecepatan dan
distribusi aliran fluida merata, densitas dan distribusi partikel dalam unggun
sama atau homogen sehingga ekspansi pada setiap partikel padatan seragam.
Kondisi ini ditunjukkan pada gambar 1.5.
Gambar 1.5 Fenomena Smooth or Homogenously Fluidization
4. Fenomena bubbling fluidization yang terjadi ketika gelembung–gelembung
pada unggun terbentuk akibat densitas dan distribusi partikel tidak homogen.
Kondisi ini ditunjukkan pada gambar 1.6.
Gambar 1.6 Fenomena Bubbling Fluidization
5. Fenomena slugging fluidization, terjadi ketika gelembung-gelembung besar
yang mencapai lebar dari diameter kolom terbentuk pada partikel-partikel
padat. Pada kondisi ini terjadi penolakan sehingga partikel-partikel padat
seperti terangkat. Kondisi ini dapat dilihat pada gambar 1.7.
Gambar 1.7 Fenomena Slugging Fluidization
6. Fenomena chanelling fluidization, terjadi ketika dalam unggun partikel padatan
terbentuk saluran-saluran seperti tabung vertikal. Kondisi ini ditunjukkan pada
gambar 1.8.
Gambar 1.8 Fenomena Chanelling Fluidization
7. Fenomena disperse fluidization, terjadi saat kecepatan alir fluida melampaui
kecepatan maksimum aliran fluida. Pada fenomena ini sebagian partikel akan
terbawa aliran fluida dan berekspansi mencapai nilai maksimum. Kondisi ini
ditunjukkan pada gambar 1.9.
Gambar 1.9 Fenomena Disperse Fluidization
Fenomena-fenomena fluidisasi tersebut sangat dipengaruhi oleh faktor-
faktor berikut:
a. Laju alir fluida dan jenis fluida
b. Ukuran partikel dan bentuk partikel
c. Jenis dan densitas partikel serta faktor interlok antar partikel
d. Porositas unggun
e. Distribusi aliran
f. Distribusi bentuk ukuran fluida
g. Diameter kolom
h. Tinggi unggun
Faktor-faktor di atas merupakan variabel-variabel dalam proses fluidisasi yang
akan menentukan karakteristik proses fluidisasi tersebut. Kebanyakan operasi di
industri menggunakan prinsip fluidisasi ini pada fluidized beds dengan berbagai
alasan tertentu. Adapun keuntungan dari fluidized beds untuk operasi industri
yaitu sebagai berikut:
1. Halus, partikel fluida mengizinkan kontrol operasi secara kontinu otomatis
dengan penanganan yang mudah.
2. Pencampuran yang cepat dari padatan pada kondisi isotermal sepanjang reaktor
3. Bisa diterapkan pada operasi skala besar.
4. Laju transfer panas dan massa antara gas dan partikel tinggi ketika
dibandingkan dengan cara lain.
5. Sirkulasi padatan antara dua fluidized bed memungkinkan memindahkan (atau
menambah) kuantitas yang besar panas yang diproduksi (atau dibutuhkan)
dalam reaktor yang besar.
Adapun kerugian dari fluidized beds untuk operasi industri yaitu sebagai
berikut:
1. Menyebabkan erosi pada pipa dan bejana dari abrasi partikel yang serius
2. Menyebabkan tumpahnya partikel-partikel dalam bejana
3. Sulit untuk menjelaskan aliran gas pada partikel untuk bubbling bed.
Pada praktikum fluidisasi ini fluida yang digunakan adalah udara tekan.
Butiran padat yang akan difluidisasikan juga dapat bervariasi seperti butiran batu
bara, batu bata, pasir, dan sebagainya. Ukuran partikel juga divariasikan dengan
melakukan pengayakan dengan mesh tertentu.
Bila kita amati suatu unggun butiran yang disangga oleh pelat kasa dan
dilalukan pada unggun tersebut suatu aliran fluida ke arah atas, maka untuk debit
aliran yang kecil unggun akan tetap diam, fluida hanya akan mengalami kenaikan
hilang tekan dengan peningkatan debit tesebut.
Untuk suatu debit tertentu hilang tekan (dinyatakan dalam tekanan, artinya
gaya per satuan permukaan) sampai pada nilai yang sama dengan berat unggun
persatuan permukaan (yang ukurannya juga sama dengan permukaan untuk hilang
tekan), dan unggun mulai terangkat. Inilah yang disebut awal fluidisasi. Di atas
kecepatan ini butiran unggun beberapa menjadi terpisah dan bergerak secara
bervariasi ke segala arah. Akan tetapi untuk kecepatan tertentu posisi rata-ratanya
secara statistik adalah tetap, dalam arti unggun mempunyai suatu tinggi yang
konstan. Tinggi unggun ini meningkat bila debit cairan meningkat.
Gambar 1.10 Skema fluidisasi
Bila peristiwa tersebut akan kita gambarkan secara grafik, kita ambil
sebagai absis kecepatan atas dasar kolom kosong Um (artinya kecepatan rata-rata
fluida dalam suatu pipa kosong dengan luas permukaan penampangnya sama
dengan penampang unggun) dan sebagai ordinat adalah hilang tekan P. Peristiwa
tersebut dapat kita nyatakan sebagai berikut:
a. Dari O ke A unggun tetap diam dan hilang tekan naik menurut debit aliran.
Bila debit aliran cukup kecil perubahan P terhadap um adalah tetap linier dan
dapat dihitung, misalnya dengan menggunakan persamaan Kozeny Carman.
b. Di A hilang tekan menjadi sedemikian sehingga gaya tekan bersangkutan
dengan awal pengangkatan unggun. Harga hilang tekan ini akan bergantung
terutama pada kondisi pencurahan unggun dan sifat partikel (keadaan
permukaan, sifat dendritik atau tidak dan seterusnya). Kita melihat kenyataan
disini bahwa gaya yang bersangkutan dengan hilang tekan pada titik ini tidak
saja untuk mengangkat berat butiran yang diakibatkan oleh penghimpitan
partikel satu dengan yang lainnya.
c. Sekali unggun ini terberai hilang tekan akan turun kembali ke harga yang lebih
kecil (titik B), lalu bila kecepatan dinaikkan lagi hilang tekan akan tetap
konstan hingga titik C dengan ketinggian unggun yang senantiasa meningkat.
Oleh karena itu, kenyataan bahwa hilang tekan tetap konstan (dan sama dengan
berat unggun persatuan luas) pada saat debit meningkat, menunjukkan bahwa
geometri intern unggun adalah berubah terutama berupa peningkatan
porositasnya yang akan berhubungan erat dengan naiknya tinggi unggun.
Setelah titik C partikel akan berbawa dalam arah aliran gas. Kurva akan
berpotongan dengan kurva hilang tekan fluida dalam tabung kosong ( = 1).
d. Bila kemudian kecepatan kita turunkan, maka tinggi unggun juga akan
menurun, akan tetapi mulai dari titik B sudah tentu kita tidak perlu lagi
mengikuti bekas keadaan A oleh karena partikel meletakkan dirinya secara
perlahan-lahan satu di atas lainnya tanpa pemadatan. Maka kita akan bergerak
dari B ke O dengan melewati D.
e. Alhasil bila kita memulai kembali suatu fluidisasi, tidak akan ada lagi upaya
yang harus dilakukan untuk mengatasi gaya gesekan antara partikel yang
terjadi karena pemadatan dan titik-titik yang menggambarkannya dinyatakan
oleh kurva ODBC naik atau turun akan tetap sama. Hilang tekan (untuk suatu
Um tertentu) dalam zone pertama (bersangkutan dengan OD) adalah lebih kecil
dari pada dalam OA, karena pemadatan unggun lebih berkurang dan tinggi
unggun Zi lebih besar.
Pernyataan tentang unggun terfluidakan di atas sebenarnya terlalu
diidealkan. Fluidisasi inilah yang biasa disebut fluidisasi homogen dimana butiran
terdispersi secara uniform dalam seluruh bagian unggun, artinya porositas lokal
unggun seolah-olah konstan pada setiap titik didalam unggun tersebut.
Gambar 1.11 Berbagai Rezim Fluidisasi
Kita mengamati bahwa fluidisasi homogen terjadi bila densitas fluida f
dan densitas partikel s sedikit saja berbeda
[ ρs
ρ f≅ 1]......................................................(1.1)
Misalnya dalam hasil fluidisasi butiran kaca dalam air. Akan tetapi kebanyakan
operasi fluidisasi dilakukan dalam fasa gas
[ ρs
ρ f≫1]....................................................(1.2)
dimana dalam hal ini fluidisasi menjadi heterogen. Bagian tertentu unggun seolah-
olah tetap diam sementara yang lainnya dilalui oleh gelembung-gelembung gas
yang besar dengan kecepatan Um dan mengandung sedikit butiran sebagai
suspensi di dalamnya, gelembung ini merambat kearah permukaan unggun
sehingga tidak memungkinkan lagi untuk mendefinisikan suatu permukaan bebas.
Inilah yang disebut peristiwa penggelembungan. Bila gelembung ini sampai
memenuhi seluruh penampang unggun ia akan dapat terangkat selama beberapa
saat, lalu volum tersebut akan jatuh kembali secara tiba-tiba ke atas lapisan paling
rendah. Inilah yang disebut fenomena fluidisasi berpiston.
Karena sifat-sifat partikel padat yang menyerupai sifat fluida cair dengan
viskositas tinggi, metoda pengontakan fluidisasi memiliki beberapa keuntungan
dan kerugian. Keuntungan proses fluidisasi, antara lain:
a. Sifat unggun yang menyerupai fluida memungkinkan adanya aliran zat padat
secara kontinu dan memudahkan pengontrolan.
b. Kecepatan pencampuran yang tinggi membuat reaktor selalu berada dalam
kondisi isotermal sehingga memudahkan pengendaliannya.
c. Sirkulasi butiran-butiran padat antara dua unggun fluidisasi memungkinkan
pemindahan jumlah panas yang besar dalam reaktor.
d. Perpindahan panas dan kecepatan perpindahan massa antara partikel cukup
tinggi.
e. Perpindahan panas antara unggun terfluidakan dengan media pemindah panas
yang baik memungkinkan pemakaian alat penukar panas yang memiliki luas
permukaan kecil.
Sebaliknya, kerugian proses fluidisasi antara lain:
a. Selama operasi partikel-partikel padat mengalami pengikisan sehingga
karakteristik fluidisasi dapat berubah dari waktu ke waktu.
b. Butiran halus akan terbawa aliran sehingga mengakibatkan hilangnya sejumlah
tertentu padatan.
c. Adanya erosi terhadap bejana dan sistem pendingin.
d. Terjadinya gelombang dan penorakan di dalam unggun sering kali tidak dapat
dihindari sehingga kontak antara fluida dan partikel tidak seragam. Jika hal ini
terjadi pada reaktor, konversi reaksi akan kecil.
Jika suatu fluida melewati partikel unggun yang ada dalam tabung, maka
aliran tersebut memberikan gaya seret (drag force) pada partikel dan
menimbulkan pressure drop sepanjang unggun. Pressure drop akan naik jika
kecepatan supervisial naik.
Pada kecepatan supervisial rendah, unggun mula-mula diam. Jika kemudian
kecepatan supervisial dinaikkan, maka pada suatu saat gaya seret fluida
menyebabkan unggun mengembang dan tahanan terhadap aliran udara mengecil,
sampai akhirnya gaya seret tersebut cukup untuk mendukung gaya berat partikel
unggun. Kemudian unggun mulai bergerak dan kondisi ini disebut minimum
fluidization. Kecepatan supervisial terendah yang dibutuhkan untuk terjadinya
fluidisasi disebut minimum fluidization velocity (v’mf). Sedangkan porositas dari
unggun ketika fluidisasi benar-benar terjadi dinamakan minimum fluidization
porosity (εmf). Sementara itu pressure drop sepanjang unggun akan tetap
walaupun kecepatan supervisial dinaikkan dan sama dengan berat efektif unggun
per satuan luas.
Jika kecepatan fluida diatas v’mf, unggun akan mulai mengembang
(bubbling) dan kondisi ini dinamakan aggregative fluidization. Kenaikan
kecepatan supervisial yang ekstrim tinggi dapat menyebabkan tumbuhnya
gelembung yang sangat besar, memenuhi seluruh tabung dan mendorong
terjadinya slugging bed. Pada saat ini pressure drop mungkin melampaui berat per
satuan luas karena adanya interaksi partikel dengan dinding tabung. Jika densitas
fluidanya lebih besar dan partikel unggun lebih kecil kemungkinan unggun dapat
tertahan dalam keadaan mengembang lebih stabil (particulate fluidzation).
Partikel unggun yang lebih ringan, lebih halus dan bersifat kohesif sangat sukar
terfluidisasi karena gaya tarik antar partikel lebih besar daripada gaya seretnya.
Sehingga partikel cenderung melekat satu sama lain dan gas menembus unggun
dengan membentuk channel.
1.2.2 Penentuan pressure drop pada fixed bed
Untuk menentukan pressure drop yang melalui fixed bed dapat dinyatakan
dengan persamaan berikut:
ΔP=150 μv 'mf ΔL
Dp2
×(1−ε )2
ε3+
1 , 75 ρv 'mf 2 ΔL
Dp×1−ε
ε
....................(1.3)
Dengan :
Dp = diameter partikel
= viskositas fluida
ΔL = tinggi bed
ε = voidage
v’mf = kecepatan supervisial
1.2.3 Faktor Bentuk
Faktor bentuk adalah perbandingan luas permukaan bola pada volum
tertentu dengan luas permukaan partikel pada volum yang sama. Faktor bentuk
untuk partikel tidak teratur sudah ditentukan. Untuk material yang sering dipakai
mempunyai nilai 0,7 < s < 0,9.
1.2.4 Pengukuran kecepatan fluidisasi minimum
Pengukuran kecepatan fluidisasi minimum dapat diperoleh dari grafik
pressure drop versus supervisial velocity, yaitu merupakan titik potong antara
bagian kurva yang naik dan bagian kurva yang datar.
Gambar 1.12 Grafik Hubungan Supervisial Velocity vs Pressure Drop
DAFTAR PUSTAKA
Aprilasani. Z. 2011. Fluidisasi. Laporan Praktikum Kimia IV Fluidisasi. Fakultas
Teknik Kimia: Universitas Muhammadiyah. Jakarta.
Mc Cabe, W.L., J.C Smith and P. Harriot. 1985. Unit Operation of Chemical
Engineering. 5th edition. McGraw-Hill Book Co. Inc. New York.
Geankoplis. Christi J. 1993. Transport Processes and Unit Operation. Edisi ke 3.
Hal 88. Prentice-Hall International. Inc. New York.
S., Herri. 1986. Operasi Teknik Kimia I. Jurusan Teknik Kimia Fakultas
Teknologi Industri: Institut Teknologi Bandung. Bandung.
Tim Penyusun. 2015. Penuntun Praktikum Laboratarium Teknik Kimia I.
Pekanbaru : Universitas Riau.
top related